基于αβ變換的三相PWM整流器前饋控制策略研究

高娜　張麗娜

【摘 要】為滿足未來電網(wǎng)對(duì)三相AC/DC變換裝置的性能需求，在兩相靜止坐標(biāo)（αβ）坐標(biāo)系下對(duì)三相電壓型PWM整流器的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用基于預(yù)測(cè)電流控制的控制策略，根據(jù)輸入輸出之間的功率平衡關(guān)系，提出一種基于αβ變換的前饋控制策略，使前饋信號(hào)同時(shí)包含了電網(wǎng)電壓和負(fù)載的信息，通過快速調(diào)節(jié)交流側(cè)電流，維持了系統(tǒng)功率平衡，從而解決了三相電壓型PWM整流器受負(fù)載擾動(dòng)和電網(wǎng)波動(dòng)影響較大的問題。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的正確性。

【關(guān)鍵詞】PWM整流器；前饋控制；預(yù)測(cè)電流控制；PI調(diào)節(jié)器

0 引言

隨著全球能源危機(jī)的不斷加深，我國(guó)電動(dòng)車輛產(chǎn)業(yè)將步入快速發(fā)展期，這也極大地推動(dòng)了充電站和充電樁的建設(shè)，大量電動(dòng)車輛的充電行為勢(shì)必將會(huì)給電網(wǎng)帶來較大沖擊。為保證電網(wǎng)及其它用電設(shè)備的用電安全，首先要限制網(wǎng)側(cè)輸入電流諧波含量。

傳統(tǒng)采用基于兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)（dq）變換的三相PWM整流器控制系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制參數(shù)難整定、坐標(biāo)變換運(yùn)算量大的缺點(diǎn)，本文采用基于αβ變換的前饋控制策略，通過前饋控制消除擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響，在簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的同時(shí)，提高了三相電壓型PWM整流器對(duì)電網(wǎng)電壓跌落及負(fù)載變化的抗干擾能力。

1 三相電壓型PWM整流器的數(shù)學(xué)模型

2.2 基于？琢？茁變換的控制系統(tǒng)參數(shù)整定

前饋控制增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)對(duì)負(fù)載擾動(dòng)和電網(wǎng)電壓波動(dòng)的抗干擾能力，但是在啟動(dòng)過程中仍需電壓PI調(diào)節(jié)器來建立直流側(cè)電壓[3]，在啟動(dòng)過程中，直流側(cè)電壓較小，電壓PI調(diào)節(jié)器輸入偏差比較大，其輸出占指令電流值的絕大部分；當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，PI調(diào)節(jié)器輸出幾乎為零，前饋信號(hào)分量作為指令電流值，系統(tǒng)對(duì)負(fù)載擾動(dòng)和電網(wǎng)電壓波動(dòng)具有很好的抗干擾能力。

采用前饋控制策略的三相電壓型PWM整流器的控制框圖如圖2所示：

考慮到電壓環(huán)采樣時(shí)間存在延時(shí)，將其等效為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)[4-5]，其小慣性時(shí)間常數(shù)為電壓值采樣時(shí)間Ts；預(yù)測(cè)電流環(huán)節(jié)也等效為慣性環(huán)節(jié)，其小慣性時(shí)間常數(shù)為電流值采樣時(shí)間Ts；設(shè)電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)模型為Kp+KI /s。由此得到三相電壓型PWM整流器電壓外環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 三相PWM AC/DC變換系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要包括功率變換主電路的設(shè)計(jì)和控制電路的設(shè)計(jì)。功率變換主電路的設(shè)計(jì)包括前置級(jí)三相電壓型PWM整流器以及后級(jí)移相全橋DC/DC變換器主電路中相關(guān)元器件的選取；控制電路包括以TI公司TMS320LF2407A DSP為核心的控制電路，交直流電壓電流信號(hào)的采集調(diào)理電路、開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路以及相關(guān)的保護(hù)電路。

3.1.1 功率變換主電路的設(shè)計(jì)

整流器需要采用6個(gè)IGBT開關(guān)管進(jìn)行控制，如果采用單獨(dú)的IGBT開關(guān)管管再加上續(xù)流二極管，勢(shì)必會(huì)使得整流器的體積變得很大，即加大了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性又增加成本。而采用IPM智能功率模塊就可以很方便地節(jié)約成本和減少體積。本文采用富士公司型號(hào)為6MBP25RA120的IPM智能模塊，該模塊的電氣性能為額定電流25A，耐壓值為1200V，最大開關(guān)頻率為20KHz，滿足本文對(duì)于前置級(jí)三相電壓型PWM整流器的設(shè)計(jì)要求。

3.1.2 控制電路設(shè)計(jì)

（1）控制電路的數(shù)據(jù)處理器

TMS320LF2407A [7]是TI公司推出的高性能16位數(shù)字處理器，是24X家族中的新成員，是定點(diǎn)DSP C2000平臺(tái)系列中的一員，專門為電機(jī)控制與運(yùn)動(dòng)控制數(shù)字化實(shí)現(xiàn)而設(shè)計(jì)，特別適合于三相異步電動(dòng)機(jī)的高性能控制。它集C2XX內(nèi)核增強(qiáng)型TMS320設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及適用于電機(jī)控制的低功耗、高性能、優(yōu)化外圍電路于一體，內(nèi)部采用增強(qiáng)型哈佛結(jié)構(gòu)，四級(jí)流水線作業(yè)，幾乎每條指令可在33ns完成。

（2）驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

IPM智能模塊6MBP25RA120的驅(qū)動(dòng)采用東芝公司的高速、高共模比的光耦TLP559。該光耦具有極短的寄生延時(shí)；瞬時(shí)共模；IPM專用電氣隔離；TTL兼容等特點(diǎn)，適用于IPM的驅(qū)動(dòng)。

3.2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

本文通過設(shè)置事件管理器EVA的通用定時(shí)器Timer1周期為1×10-4s，工作在連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式，當(dāng)計(jì)數(shù)值到達(dá)0時(shí)，產(chǎn)生下溢中斷，從而完成三相電壓型PWM整流器控制程序。

中斷子程序主要完成四路交流信號(hào)和兩路直流信號(hào)采樣、電壓PI調(diào)節(jié)計(jì)算、預(yù)測(cè)電流控制等。為防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，中斷子程序后要恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)。

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在軟硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上搭建了樣機(jī)，輸入為220/380V，額定輸出為270V直流電，額定功率5Kw。并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)波形如圖所示：

圖5為系統(tǒng)輸入交流電壓電流波形，從圖中可以看出交流側(cè)電路波形無畸變，且和電壓波形同相位，實(shí)現(xiàn)了交流側(cè)高功率因數(shù)。在系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)后，負(fù)載由額定值降低至其1/3，輸出電壓波形如圖6所示，從圖中可以看出電壓波形抖動(dòng)很小，系統(tǒng)取得了良好的抗干擾效果。

4 結(jié)論

本文在αβ坐標(biāo)系中進(jìn)行三相電壓型PWM整流器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，降低了設(shè)計(jì)的難度；并為了降低負(fù)載突變和電網(wǎng)電壓跌落對(duì)系統(tǒng)的影響，提出一種基于αβ變換的前饋控制策略。仿真結(jié)果表明，該方案大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力。

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[責(zé)任編輯：鄧麗麗]